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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls, das auch als Leistungselektronik bezeichnet wird, sind eine elektronische Steuereinheit, auch als ECU (electronic control unit) bezeichnet, das mit dem oder den Fahrzeugsteuergeräten in Verbindung steht oder Teil davon ist, und Steuersignale und/oder Informationen basierend auf z.B. dem Fahrverhalten oder Signalen anderer Steuergeräte erhält, sowie ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie oder einem Akkumulator, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden. Zusätzlich kann noch ein DC/DC-Wandler in der Leistungselektronik vorhanden sein.
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In der
US 2019 / 0 334 334 A1 wird eine geschichtete Stromschienenanordnung zur Verwendung in Invertern offenbart. Aus der
US 2011 / 0 127 061 A1 ist eine Stromschienenanordnung für elektrische Leistungswandler mit zwei Stromschienen bekannt. Die erste Stromschiene ist teilweise in der Harzummantelung eingebettet, um eine montageorientierte Ausrichtung der Stromschienen zu gewährleisten. Auch die die
CN 2 12 909 316 U offenbart ein Steuerungssystem, das ein Halbleiter-Bauteil, eine Schaltungsplatine, eine laminierte Stromschiene und einen Kondensator umfasst. Die
US 2009 / 0 294 195 A1 beschreibt auch einen Leistungswandler, der mehrere Halbleiterelemente umfasst, einschließlich mehrerer Halbleiterelemente auf der Hochspannungsseite und mehrerer Halbleiterelemente auf der Niederspannungsseite. Und die
DE 10 2011 006 988 A1 beschreibt einen zweiteiligen Wechselrichter für einen modularen Wechselrichteraufbau. Diese enthält mindestens zwei abschaltbare Halbleiter und mindestens zwei Freilauf-Dioden, die thermisch leitend mit einem Kühlkörper verbunden sind.
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Ferner sind Montagetechniken zu geschichteten Stromschienenanordnung aus dem Stand der Technik bekannt. In der
DE 199 03 875 A1 wird eine Druckplatte zur Montage einer auf einem Kühlkörper angeordneten Leistungshalbleiterschaltungsanordnung offenbart. Die Druckplatte weist Signaldurchführungen in Form von Domen in Richtung einer Treiberplatine auf. Aus der
US 2017 / 0 223 859 A1 ist ein Leistungswandler, der ein Leistungshalbleitermodul, eine Steuerplatine und ein Gehäuse umfasst, bekannt. Das Leistungshalbleitermodul ist so angeordnet, dass der Speicherraum des Modulgehäuses und der Speicherraum über ein Öffnung verbunden sind.
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Bekannte Elektronikmodule sind zwar insoweit modular, dass Brückenschaltungen ergänzt werden können, um die Leistung zu steigern, oder dass Brückenschaltungen weggelassen werden können, aber dadurch werden die elektrischen Eigenschaften teilweise verschlechtert. Beispielsweise ist die Kommutierungszelle lediglich für eine bestimmte Topologie optimal. Wenn Brückenschaltungen hinzukommen oder weggenommen werden, ist die Kommutierungszelle nicht mehr optimal.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Elektronikmodul bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1, 2 zeigen einen Grundaufbau eines Einzelphasenmoduls mit Basisplatte und darauf angeordneten Halbleiterpackages gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3, 4 zeigen drei Einzelphasenmodule, wie in 1 und 2, gezeigt zur Darstellung eines dreiphasigen Inverters gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt ein Einzelphasenmodul mit auf den Halbleiterpackages angeordneten Stromschienen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 6-8 zeigen Draufsichten auf das Einzelphasenmodul (6 und 8) und eine Frontansicht des Einzelphasenmoduls (7) aus 6 mit einem oberhalb der Stromschienen angeordneten, flächigen Bauteil gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 9 zeigt ein Einzelphasenmodul einer oberhalb der Stromschienen angeordneten Signalsammelplatine gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 10-13 zeigen Draufsichten auf das Einzelphasenmodul und Frontansichten des Einzelphasenmoduls aus 6 mit zusätzlichen, auf der Signalsammelplatine angeordneten Komponenten gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 14, 15 zeigen eine Draufsicht auf das Einzelphasenmodul und eine Schnittansicht des Einzelphasenmoduls aus 6 und Ummantelungen der Strom- bzw. Signalpins gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 16-18 zeigen eine ummantelte Stromschiene, eine AC-Stromschienenfixierung und die Anordnung der ummantelten Stromschiene auf einem Isolationsrahmen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 19-23 zeigen eine ummantelte Stromschiene, sowie einen Isolationsrahmen mit Befestigungsmitteln gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 24-27 zeigen ein Einzelphasenmodul mit einem Isolationsrahmen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 28, 29 zeigen eine Anordnung einer DC-Minus-Stromschiene auf den Halbleiterpackages eines Einzelphasenmoduls gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 30-34 zeigen eine Anordnung einer AC-Stromschiene auf einer DC-Minus-Stromschiene mit Isolations-Einlegeteil eines Einzelphasenmoduls in unterschiedlichen Abschnitten der Montage gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 35-42 zeigen einen Aufbau eines Einzelphasenmoduls gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Abschnitten der Montage.
- 43 zeigt eine Explosionsansicht eines Einzelphasenmoduls ohne Signalsammelplatine gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Elektronikmodul bereitzustellen. Besonderes Ziel ist, dass es eine bessere Modularität als auch eine auf die Kommutierungszelle optimierte Topologie aufweist.
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Aktuell bekannte Elektronikmodule, welche im Bereich der Elektromobilität verwendet werden, sind als Dreiphasenmodule aufgebaut. Das heißt, dass sie eine einzelne, für alle drei Phasen P1-P3 gemeinsame Basisplatte 2 aufweisen, auf der die Halbleiterpackages 4 angeordnet sind.
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Die Basisplatte 2 dient als Trägerplatte und ist aus einem ausreichend stabilen Material mit einer guten thermischen Leitfähigkeit wie z.B. Kupfer gebildet, so dass eine ausreichende Entwärmung und Fixierung der Halbeleiterpackages 4 gegeben ist. Sie ist also nicht als Leiterplatte gebildet und weist keine strom- oder signalführenden Leitungen auf. Sie kann aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein und somit auch Massepotential GND bereitstellen. Sie kann aber auch aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material bestehen, wobei das Massepotential GND dann auch durch eine Schraube bereitgestellt werden kann.
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Die Halbleiterpackages 4 sind in der Regel einander gegenüberliegend angeordnet, so dass jeweils zwei davon eine Halbbrücke bilden, wobei ein Halbleiterpackage 4 als Highsideschalter 41 und das andere als Lowsideschalter 40 dient, von denen jeder zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter, z.B. MOSFETs, IGBTs etc., aufweist. Pro Phase P1-P3 können eine oder mehrere Halbbrücken vorgesehen sein. Oberhalb der Halbbrücken sind DC- und AC-Stromschienen angeordnet und mit zugehörigen Stromanschlüssen der Halbbrücken elektrisch kontaktiert. Die Kommutierungszelle ist aktuell nur bei einer bestimmten Topologie, also Anzahl an Halbbrücken und Anordnung der Stromschienen, optimal. Wenn nun z.B. mehr oder weniger Halbbrücken benötigt werden, um die gewünschte Leistung einzustellen, werden diese hinzugefügt oder weggelassen, wobei die Topologie nicht angepasst wird und damit die Kommutierungszelle optimierungsbedürftig ist. Ferner ist im Bereich der Basisplatte 2 die elektronische Steuereinheit, kurz ECU, also ein Treiber, verbaut und mit allen Komponenten signaltechnisch verbunden. Um weitere Komponenten hinzuzufügen und signaltechnisch zu verbinden, fehlt in der Regel der Platz.
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Da es bei bekannten Elektronikmodulen also Verbesserungsbedarf gibt, insbesondere bezüglich Modularität und Optimierung der Kommutierungszelle, wird vorgeschlagen, ein Einzelphasenmodul 1 bereitzustellen, bei dem alle für den Betrieb einer einzelnen Phase P1-P3 benötigten Komponenten vorhanden sind, und dessen Topologie (geometrische und elektrische Anordnung) auf jeweils nur ein bestimmtes Design, also bestimmte Halbleiterpackages 4 und darauf optimiert angeordnete Stromschienen 5-7 abgestimmt ist. Wenn sich die Art oder Anzahl der Halbleiterpackages 4 ändert, kann die Geometrie der Basisplatte 2 und die Anordnung der Stromschienen 5-7 auf die verwendeten Halbleiterpackages 4 angepasst werden, um die Kommutierungszelle zu optimieren. Als Halbleiterpackage 4 wird ein ummantelter Leistungshalbleiter(chip) inklusive (nicht ummantelten) Anschlussbeinen zur elektrischen bzw. Signal-Kontaktierung bezeichnet.
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Bei dem vorgeschlagenen Einzelphasenmodul 1 ist eine Basisplatte 2 vorgesehen, sowie mindestens zwei einander gegenüberliegende Halbleiterpackages 4, die eine Halbbrücke bilden. Jeweils eines der Halbleiterpackages 4 ist als ein Highsideschalter 40 und das andere als ein Lowsideschalter 41 gebildet. In der in 1 gezeigten Ausführung sind drei Halbbrücken, also zwei mal drei Halbleiterpackages 4 vorgesehen. In der in 2 gezeigten Ausführung sind vier Halbbrücken, also zwei mal vier Halbleiterpackages 4 vorgesehen. Die Halbleiterpackages 4 sind dabei direkt auf der Basisplatte 2 befestigt, z.B. darauf gesintert. In allen nachfolgend beschriebenen Ausführungen sind die Halbleiterpackages 4 einander gegenüberliegend mit einem mittigen AC-Abgriff (siehe AC-Stromanschluss 70 z.B. in 7) angeordnet. Außerdem ist die DC-Minus-Stromschiene 6 zwischen der (auf Seite der Basisplatte 2 angeordneten) DC-Plus-Stromschiene 5 und der AC-Stromschiene 7 vollflächig über alle Halbbrücken geführt und der DC-Minus- und der DC-Plus-Abgriff 53, 66 stehen auf derselben Seite des Einphasenmoduls 1 heraus, während der AC-Abgriff 71 auf der anderen Seite des Einphasenmoduls 1 heraussteht. Die beschriebene Reihenfolge entspricht einer bevorzugten Ausführung, kann aber auch anders gestaltet sein, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Wie aus den 1 und 2 zu entnehmen, ist die Geometrie (Länge und Breite) der Basisplatten 2 der Einzelphasenmodule 1 im Unterschied zum Stand der Technik auf die Anzahl der Halbleiterpackages 4 angepasst. Sie ist also sozusagen stets optimal klein, d.h. sie ist nicht größer als nötig, um die Halbleiterpackages 4 aufzunehmen. Das Einzelphasenmodul 1 ist also skalierbar, indem die Größe der Basisplatte 2 der Anzahl der Halbleiterpackages 4 angepasst wird. Besonders vorteilhaft sind drei, vier oder sechs Halbbrücken, also sechs, acht oder zwölf Halbleiterpackages 4, vorgesehen.
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Außerdem sind auf den Halbleiterpackages 4 Stromschienen 5-7 (DC-Plus-Stromschiene 5, DC-Minus-Stromschiene 6, AC-Stromschiene 7) gestapelt angeordnet, sie bilden also einen Stromschienenstapel. Diese sind mit den zugehörigen Stromanschlüssen der Halbleiterpackages 4 elektrisch verbunden, wobei der AC-Abgriff mittig zwischen zwei einander gegenüberliegenden Halbleiterpackages 4 vorgesehen ist. Durch die Anordnung und Geometrie der Stromschienen 5-7 kann die Kommutierungszelle optimiert werden.
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In einer ersten Ausführung ist der durch die Stromschienen 5-7 gebildete Blechstapel bzw. Stromschienenstapel alleine aufgrund der kleineren geometrischen Abmessungen der Basisplatte 2 und der damit kürzeren Stromwege bereits optimiert.
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Dadurch, dass für jede Ausführung des Einzelphasenmoduls 1 eine eigene Geometrie bereitgestellt wird, wird die Modularität gesteigert. So können mehrere Einzelphasenmodule 1 zu einem Mehrphasenmodul, insbesondere einem Dreiphasenmodul wie in 3 und 4 gezeigt, zusammengeschaltet werden. Außerdem wird durch die an die Anzahl und Art der Halbleiterpackages 4 angepasste Geometrie der Basisplatte 2 und damit der Stromschienen 5-7, also Anordnung und Fläche davon, die Kommutierungszelle optimiert, wie nachfolgend genauer beschrieben.
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Durch die Möglichkeit, die Geometrie der Basisplatte 2 anzupassen, können Halbleiterpackages 4 unterschiedlicher Hersteller verwendet werden, was die Verfügbarkeit erhöht. So ist eine Stromskalierung ebenso darstellbar, wie die Verwendung unterschiedlicher Halbleiterpackages 4 für unterschiedliche Einzelphasenmodule1, da die Geometrie auf die Größe und die Art der verwendeten Chips (Leistungshalbleiter) angepasst werden kann, was im Stand der Technik bisher nicht geschieht. Hier wird lediglich über die Anzahl der Chips skaliert, die Größe der Basisplatte 2 und die benötigte Fläche der Stromschienen 5-7 bleiben unverändert.
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Wie bereits erwähnt ist es stets ein Ziel beim Design der Schaltungsanordnung, ein verlustarmes Kommutieren (Wechsel des Stroms von einem auf den anderen Leistungshalbleiter) der Halbbrücken zu erreichen. Deshalb ist es wichtig, die Kommutierungszelle (Halbleiterschalter und in Reihe geschaltete Diode und zugehörige Spannungsquelle) zu optimieren.
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Die Optimierung erfolgt, wie bereits beschrieben, durch eine auf die Topologie des Einzelphasenmoduls 1 angepasste Anordnung und Fläche der Stromschienen 5-7, also der DC-Plus-Stromschiene 5, der DC-Minus-Stromschiene 6 und der AC-Stromschiene 7. Wie in 28 (Draufsicht) und 29 (Schnittansicht) gezeigt, kann zur Optimierung der Kommutierungszelle in einer weiteren Ausführung eine der Stromschienen, besonders vorteilhaft die DC-Minus-Stromschiene 6, vollflächig oberhalb der Halbleiterpackages 4 geführt sein. Das heißt, dass sie zumindest die Halbleiterpackages 4 (inkl. deren Stromabgriffe) vollständig abdeckt. Der DC-Minus-Abgriff 66 steht dabei aus dem Einzelphasenmodul 1 heraus, um den externen Stromabgriff zu ermöglichen, wie z.B. in 6 dargestellt. Die beiden anderen Stromschienen 5 und 7 sind unter- bzw. oberhalb der DC-Minus-Stromschiene 6 geführt, wobei vorteilhaft die DC-Plus-Stromschiene 5 auf Seite der Basisplatte 2 und die AC-Stromschiene 7 oberhalb der DC-Minus-Stromschiene 6 geführt ist. Durch das Führen der DC-Minus-Stromschiene 6 vollflächig über die Halbleiterpackages 4 können der DC-Plus-Abgriff 53 und der DC-Minus-Abgriff 66 an derselben Seite des Einzelphasenmoduls 1 erfolgen, wobei diese Seite vorteilhaft dem AC-Abgriff 71 der AC-Schiene 7 gegenüberliegt, wie z.B. in 6 und 8 bis 10 zu sehen, welche zusätzliche Merkmale wie die später beschriebene Ummantelung 50, 60 der Stromschienen 5, 6 zeigen.
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In der Ausführung, in welcher die DC-Minus-Stromschiene 6 vollflächig oberhalb der Halbleiterpackages 4 geführt ist, weist diese Öffnungen 67 auf, damit Hochspannungs-Strom- und/oder Signalpins 42 der Halbleiterpackages 4 und/oder Strompins 51 der darunter befindlichen DC-Plus-Stromschiene 5 nach oberhalb (auf die Oberseite) der DC-Minus-Stromschiene 6 geführt werden können und damit die AC-Stromanschlüsse 70 der über der DC-Minus-Stromschiene 6 befindlichen AC-Schiene 7 zu den AC-Abgriffen 71 der Halbleiterpackages 4 (in 28 und 29 im Bereich der mittigen Pins 42) auf die Unterseite der DC-Minus-Stromschiene 6 durchgeführt werden können. Es können auch eine oder mehrere Öffnungen 67 in der DC-Minus-Stromschiene 6 vorgesehen sein, um einen oder mehrere Temperatursensoren 106 auf die Unterseite der DC-Minus-Stromschiene 6 zu führen, um die Temperatur der Halbleiterpackages 4 zu messen.
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Außerdem kann ein HV-Minus Stromanschlusspin 62 aus der DC-Minus-Stromschiene 6 heraus nach oben (von den Halbleiterpackages 4 weg) gebogen sein, um DC-Minus-Potential für auf der später beschriebenen Signalsammelplatine 10 angeordnete Komponenten wie CY-Kondensatoren bereitzustellen.
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Da die DC-Minus-Stromschiene 6 vollflächig über den Halbleiterpackages 4 platziert ist, können unerwünschte elektrische Wechselwirkungen mit darüber oder darunter platzierten Bauteilen, insbesondere den DC-Plus- und AC-Stromschienen 5, 7 auftreten. In einer Ausführung ist deshalb eine vollständige Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 an Bereichen, an denen sie die anderen Stromschienen 5, 7 überdeckt, also an denen sie nicht elektrisch kontaktiert wird, vorgesehen, um eine elektrische Isolierung zu ihrer Umgebung, insbesondere den DC-Plus- und AC-Stromschienen 5, 7, bereitzustellen. Die Ummantelung 60 ist also lediglich am DC-Minus-Abgriff 66, an dem aus der DC-Minus-Stromschiene 6 heraus nach oben gebogenen HV-Minus Stromanschlusspin 62, und an den DC-Minus-Stromanschlüssen der Halbleiterpackages 4 (in 28 ganz rechts außen als nach unten gebogene Teile zu sehen) nicht vorhanden. Dies ist z.B. in 5 und 14-18 dargestellt.
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Die Ummantelung 60 ist, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt und deshalb nicht näher beschrieben, aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise als Mold-Material gebildet, also zum Umspritzen oder Ummolden (Flussprozess) geeignet. Unter der Formulierung, dass die Ummantelung 50, 60 aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, ist in Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Komponenten Isolations-Einlegeteil 8 und Isolationsrahmen 3 des Einzelphasenmoduls 1 sowohl zu verstehen (bevorzugte Ausführung), dass die Ummantelung um eine Basisstruktur, z.B. ein Blech, aufgebracht ist, z.B. mittels Umspritzen, als auch, dass die Komponente des Einzelphasenmoduls 1 vollständig aus dem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
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Wie bereits in Bezug zur vollflächig über den Halbleiterpackages 4 platzierten DC-Minus-Stromschiene 6 beschrieben, weist die Ummantelung 60 Öffnungen 613-616 zur Durchführung diverser Komponenten von ihrer zu der Basisplatte 2 weisenden Unterseite auf ihre gegenüberliegende Oberseite (oder vice versa) auf. Die Öffnungen 613-616 korrespondieren selbstverständlich mit den Öffnungen 67 in der DC-Minus-Stromschiene 6, liegen also übereinander.
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Im Detail können eine oder mehrere Öffnungen 613 in der Ummantelung 60 vorgesehen sein, um einen oder mehrere Temperatursensoren 106 auf die Unterseite der DC-Minus-Stromschiene 6 zu führen und die Temperatur der Halbleiterpackages 4 zu messen. Außerdem sind mehrere (mindestens eine) Öffnungen 614 vorhanden, um den AC-Stromanschluss 70 der AC-Schiene 7 zu den AC-Abgriffen der Halbbrücken zu führen, wie in 17 von der Oberseite zur Unterseite der DC-Minus-Stromschiene 6 dargestellt. Außerdem sind mehrere (mindestens eine) Öffnungen 615 vorhanden, wie in 16 (Sicht auf die Unterseite) dargestellt, um Strom- und/oder Signalpins 42 der Halbleiterpackages 4 auf die Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 zu führen und diese mit einer später beschriebenen Signalsammelplatine 10 zu kontaktieren. Auch sind mehrere (mindestens eine) Öffnungen 616 vorhanden, um HV-Plus Stromanschlusspins 51 der in einer bevorzugten Ausführung unterhalb der der DC-Minus-Stromschiene 6 angeordneten DC-Plus-Stromschiene 5 auf die Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 zu führen. Auf der Unterseite ist selbstverständlich keine Öffnung für den HV-Minus Stromanschlusspin 62 vorgesehen, da dieser aus der Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 gebogen und in der Ummantelung 60 eingebettet ist.
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Die Ummantelung 60 auf der Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 weist nach oberhalb der Oberseite herausragende und als Tunnel 612 für die Pins 42, 51 dienende Dome 61 auf, wie z.B. in 5, 14, 15 und 18 dargestellt. Die Pins 42, 51 werden bei der Montage durch die Tunnel 612 geführt. Die Dome 61 sind also Teil der Ummantelung 60 (daraus im selben Prozess gebildet, keine Anbaustrukturen) und aus demselben Material gebildet. Sie sind im Inneren hohl, um die Pins 42, 51 durchführen zu können und dienen damit als Tunnel 612, wie z.B. in 15 im Schnitt zu sehen ist. Diese Tunnel 612 erfüllen damit sowohl die Aufgabe, eine elektrische Isolierung der Pins 42, 51, 62 zum Niederspannungspotential bereitzustellen, als auch eine Positionierung und Fixierung der Pins 42, 51 bereitzustellen. Die Tunnel 612 ragen dabei so weit aus der Oberseite heraus, dass sie auch über die Oberseite des in einer weiteren Ausführung vorhandenen und nachfolgend beschriebenen flächigen Bauteils 9 reichen.
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Der HV-Minus Stromanschlusspin 62 ist in seinem Tunnel 612 fixiert, da er aus der Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 herausragt und direkt im Herstellungsprozess mit der Ummantelung 60 umgeben, d.h. darin eingebettet, wird.
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In einer weiteren, auch mit der oben beschriebenen Ausführung kombinierbaren Ausführung, können an der Oberseite aus der Ummantelung 60 herausragende Positionierungsstrukturen in Form von Domen 61 gebildet sein, die als Auflagen 611 für oberhalb der DC-Minus-Stromschiene 6 angeordnete Komponenten dienen, z.B. das bereits erwähnte und nachfolgend beschriebe flächige Bauteil 9 oder die ebenfalls bereits erwähnte und nachfolgend beschriebene Signalsammelplatine 10. Diese als Auflage 611 dienenden Dome 61 können ebenfalls eine Öffnung aufweisen, um z.B. eine Verschraubung zur Basisplatte 2 hin zu ermöglichen und damit z.B. eine GND-Kontaktierung (Masse) zu ermöglichen, wie z.B. in 13 gezeigt. Sie können aber auch mit anderen Komponenten verschraubt sein und/oder als Positionierungshilfe dienen.
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In einer weiteren, auch mit der oben beschriebenen Ausführung kombinierbaren Ausführung, kann die Ummantelung 60 auf einer oder auf beiden Seiten der DC-Minus-Stromschiene 6 Positionierungshilfen in Form von Positionierungsstrukturen 63, Geometrien in Form von Anschlagbereichen 64, sowie Einsteckstrukturen 65 aufweisen, wie z.B. in 16 (Unterseite) und 17 (Oberseite) gezeigt. Diese sind vorteilhaft direkt im Herstellungsprozess der Ummantelung 60 daraus gebildet, also Teil der Ummantelung (keine Anbaustrukturen). Die Positionierungshilfen sind so gebildet, dass sie in entsprechende Gegenstrukturen von mit der DC-Minus-Stromschiene 6 (mechanisch und/oder elektrisch) zu verbindenden Komponenten, z.B. dem Isolationsrahmen 3 der AC-Stromschiene 7, in Eingriff gebracht werden können (bzw. die Gegenstrukturen sind entsprechend gebildet, dass sie mit entsprechenden Positionierungshilfen in Eingriff gebracht werden können, je nachdem, was prozesstechnisch besser herstellbar ist).
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In 16 sind Positionierungsstrukturen 63 an den äußeren Randbereichen der Unterseite der Ummantelung 60 gebildet. Diese können als Stifte (rechte Seite in 16) oder als längliche Barrieren in Form von z.B. Rippen (linke Seite in 16) gebildet sein, je nachdem, wie die Gegenstruktur auf ihrer Unterseite gebildet ist, mit der sie in Eingriff gebracht werden. Beispielsweise können sie als Positionierungsmittel an der Basisplatte 2 oder an einem auf der Basisplatte 2 vorgesehenen Isolationsrahmen 3 (z.B. 18) verwendet werden. Hierfür weisen Basisplatte 2 bzw. Isolationsrahmen 3 entsprechende Gegenstrukturen auf, wie z.B. Positionierungsstrukturen 30 (Auflagen) und 33 (Rippen), wie in 18 gezeigt.
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In 16 sind außerdem Einsteckstrukturen 65 (linke Seite in 16) vorgesehen. Diese dienen als Positionierungshilfen, um die DC-Minus-Stromschiene 6 auf der DC-Plus-Stromschiene 5 zu platzieren, wie z.B. in 37/38 und 43 gezeigt. Die Einsteckstrukturen 65 können dabei als Erhebung 651 (Stift), wie in 16 dargestellt, gebildet sein. In den gezeigten Ausführungen sind die Positionierungshilfen der DC-Minus-Stromschiene 6 als Erhebung 651 und die Gegenstücke (komplementäre Einsteckstruktur) auf Seite der DC-Plus-Stromschiene 5 als Aussparung 522 gebildet, wobei es auch andersherum sein könnte. Die Anzahl der Einsteckstrukturen 65 hängt von der Breite des DC-Plus-Abgriffs 53 der DC-Plus-Stromschiene 5 ab. Vorteilhaft sind (mindestens) zwei Einsteckstrukturen 65 vorgesehen, die möglichst weit außen, also in einem äußeren Randbereich, der Ummantelung 60 angeordnet sind. Vorteilhaft weisen die Einsteckstrukturen 65 eine runde Form auf. Sie können dabei ineinandergreifen und dadurch fixiert werden (wie beim Druckknopf), oder mit Spiel ineinandergreifen, was die Montage vereinfacht, dadurch aber die Positionierung nicht mehr so genau ist.
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Es wäre auch möglich, lediglich eine einzelne Einsteckstruktur 65 vorzusehen, wobei dann vorteilhaft anstatt einer runden Form eine Form gewählt wird, in welche die Gegenstruktur in lediglich einer Ausrichtung eingebracht werden kann. Somit kann ein Verdrehen verhindert werden.
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In 17 sind Anschlagbereiche 64 für die AC-Stromschiene 7 auf der Oberseite der DC-Minus-Stromschiene 6 als Positionierungshilfen vorgesehen. Die Anschlagbereiche 64 sind als auf die Form der AC-Stromschiene 7 angepasste Geometrien gebildet, damit sie für diese als Positionierungshilfe dienen. Einige als Rippen gebildete Anschlagbereiche 64 sind zwischen den Öffnungen 614, in welche die AC-Stromanschlüsse 70 eingeführt werden, derart vorgesehen, dass die Fläche zwischen den Beinen der AC-Stromanschlüsse 70 dort anschlagen kann. Wie in 17 gezeigt, kann auch lediglich an jeder zweiten Fläche zwischen den Beinen der AC-Stromanschlüsse 70 ein Anschlagbereich 64 vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Anschlagbereiche 64 gleichmäßig verteilt, so dass kein Verdrehen der AC-Schiene 7 möglich ist. Zusätzlich sind an äußeren Randbereichen der Ummantelung 60 weitere Anschlagbereiche 64 vorgesehen, welche die AC-Stromschiene 7 zusammen mit den vorher beschriebenen Anschlagbereichen 64 einrahmen, so dass diese sowohl in der gewünschten Position auf der DC-Minus-Stromschiene 6 positioniert werden kann, als auch sich nicht bzw. nur geringfügig bewegen oder drehen kann. In 17 sind diese äußeren Anschlagbereiche 64 als gebogene Wülste in Richtung AC-Schiene 7 gebildet, welche sich im Radius der als Auflagen 611 dienenden Dome 61 biegen. Die AC-Stromschiene 7 weist ebenfalls einen entsprechenden Radius auf, so dass sie an den Wülsten anschlagen kann, wie in 17 gezeigt. Die Form der Anschlagbereiche 64 ist allerdings nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt. Vielmehr kann jede Form gewählt werden, welche die AC-Stromschiene 7 positioniert und zumindest geringfügig vor einem Verrutschen und/oder Verdrehen schützt. Die Anschlagbereiche 64 sind also vorteilhaft auf die Form der AC-Stromschiene 7 angepasst.
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Vorteilhaft sind die Anschlagbereiche 64 so gebildet, dass die AC-Stromschiene 7 von oben aufgelegt wird, also nicht eingeschoben werden kann. Die AC-Stromschiene 7 kann selbstverständlich auch Öffnungen 72 aufweisen, um Komponenten wie z.B. einen Temperatursensor 106 auf die Unterseite der DC-Minus-Stromschiene 6 durchführen zu können.
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In einer in 30 bis 34 im Detail gezeigten Ausführung ist ein Isolations-Einlegeteil 8 vorgesehen, das (mit seiner Unterseite) oberhalb der AC-Stromschiene 7 auf diese aufgebracht, genauer aufgelegt, ist bzw. wird. Das Isolations-Einlegeteil 8 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet und dient als eine elektrische Isolierung. In der gezeigten Ausführung ist die AC-Stromschiene 7 oberhalb der DC-Minus-Stromschiene 6 angeordnet und liegt auf dieser auf. Um keine unerwünschten elektrischen Wechselwirkungen zu verursachen, ist die DC-Minus-Stromschiene 6 mit einer elektrisch isolierenden Ummantelung 60, wie bereits weiter oben beschrieben, umgeben und auch in 30 gezeigt. Auf diese wird die AC-Stromschiene 7 aufgelegt, wie in 31, 39 und 43 gezeigt. Erst dann wird das Isolations-Einlegeteil 8 aufgebracht, wie in 32, 40 und 43 gezeigt.
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Das Isolations-Einlegeteil 8 weist an seiner Oberseite (die nicht auf der Stromschiene 6 aufliegt) vorteilhaft eine oder mehrere Öffnungen 82 auf, um über aus der DC-Minus-Stromschiene 6 herausragende Dome 61 aufgesteckt zu werden, wie in 30-34 und 39 bis 43 gezeigt. Die Öffnungen 82 und Dome 61, 611 dienen dabei als Positionierungshilfe für das Isolations-Einlegeteil 8.
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Außerdem weist das Isolations-Einlegeteil 8 als Tunnel 83 dienende Dome auf, damit Strom- und/oder Signalpins 42 der Halbleiterpackages 4 auf die Oberseite durchgeführt werden und mit einer nachfolgend beschriebenen Signalsammelplatine 10 kontaktiert werden können. Diese Tunnel 83 sind wie die in Bezug auf die Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 gebildeten Tunnel 612, also aus der Ummantelung des Isolations-Einlegeteils 8 heraus gebildet, und dienen auch der Fixierung (zumindest in horizontaler Richtung) und Positionierung des Isolations-Einlegeteils 8 bei Montage.
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Ferner weist das Isolations-Einlegeteil 8 vorteilhaft an seinem äußeren Randbereich eine Abkantung in Richtung DC-Minus-Stromschiene 6 (Kantenbereich 81, z.B. in 7, 33 und 34 gezeigt) auf. Diese Fläche (Kantenbereich 81) verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Isolations-Einlegeteils 8, um auch hier eine elektrische Isolation bereitzustellen, wobei selbstverständlich der AC-Abgriff 71 nach außerhalb des Stromschienenstapels heraussteht. Der Kantenbereich 81 ragt dabei mindestens so weit nach unten, dass auch die Außenbereiche der DC-Minus-Stromschiene 6 davon überdeckt sind, wie in 34 zu sehen. In einer Ausführung dient der Kantenbereich 81 auch als Positionierungs- und Fixierungshilfe, da er, wie in 34 zu sehen, an eine Treppenkante anstößt (Anschlag) und auf einem Treppenabsatz (Auflage) aufliegt, welche als Positionierungsstruktur 34 insbesondere durch einen Isolationsrahmen 3 bereitgestellt werden, der als Positionierungshilfe dient und nachfolgend beschrieben wird. Diese Treppenkante und der Treppenabsatz können auch aus der Basisplatte 2 oder einer anderen, unterhalb des Isolations-Einlegeteils 8 vorhandenen Komponente des Einzelphasenmoduls 1 gebildet sein.
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Zur Positionierung des Isolations-Einlegeteils 8 werden Positionierhilfen verwendet, die auf der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 vorgesehen sind und bereits in diesem Zusammenhang beschrieben wurden. Im Detail sind die Positionierhilfen für das Isolations-Einlegeteil 8 die aus der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 gebildeten Dome 61, 611, über welche eine in dem Isolations-Einlegeteil 8 gebildete Öffnung 82 aufgebracht wird, sowie die Öffnungen 614, in welche der bzw. die Stromanschlüsse der AC-Stromschiene 7 zu den AC-Stromabgriffen der Halbleiterpackages 4 durchgeführt werden, und die Anschlagbereiche 64 für die AC-Stromschiene 7. Diese sind so aus der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 gebildet, dass die AC-Stromschiene 7 mit äußeren Bereichen dort begrenzt wird. Sie sind so gebildet, dass die AC-Stromschiene 7 nicht eingeschoben werden kann, sondern (von oben) eingelegt werden muss.
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Das Isolations-Einlegeteil 8 kann mindestens eine Öffnung 84 zur Aufnahme eines Temperatursensors 106 aufweisen, welche mit den übereinander liegenden Öffnungen 67 und 72 der DC-Minus-Stromschiene 6 (und deren Ummantelung 60) und der AC-Stromschiene 7 korrespondiert.
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Das Isolations-Einlegeteil 8 könnte mittels Befestigungsmitteln befestigt werden. In einer weiteren Ausführung ist allerdings ein flächiges Bauteil 9 vorgesehen, welches sowohl als Niederhalter für den gesamten Blechstapel (Stromschienen 5-7) und für das Isolations-Einlegeteil 8, als auch als EMV-Schild dient. Ein solches flächiges Bauteil 9 ist z.B. in 6-8, 14, 15 und 43 dargestellt. Im Wesentlichen ist es so gebildet, dass es die Oberseite des beschriebenen Einzelphasenmoduls 1 bildet, also im Wesentlichen auf dem Stromschienenstapel (inkl. Isolations-Einlegeteil 8) aufliegt. In den beschriebenen Ausführungen liegt es also auf der Oberseite der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 und des Isolations-Einlegeteils 8 auf. In einer alternativen Ausführung kann auch die Unterseite des flächigen Bauteils 9 eine elektrisch isolierende Ummantelung aufweisen.
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Das flächige Bauteil 9 weist mehrere Befestigungsmittel 92 auf, die über äußere Endbereiche des Stromschienenstapels (inkl. Isolations-Einlegeteil 8 und Isolationsrahmen 3, wenn vorhanden) bis zur Basisplatte 2 reichen und daran derart befestigt sind. Die Kontur des flächigen Bauteils 9 folgt dabei vorzugsweise der Kontur der Oberseite, wie z.B. in 6 und 7 zu sehen. Es sollte möglichst flächig aufliegen, insbesondere um eine gute EMV-Schirmung zu gewährleisten, aber auch zum Fixieren der darunter befindlichen Komponenten, um z.B. ein Klappern zu verhindern. Es weist Öffnungen 90 und/oder Ausnehmungen 91 auf, um Dome 61 (Auflagen 611, Tunnel 612) und gegebenenfalls weitere Bauteile wie Temperatursensoren 106 von seiner Unterseite auf seine Oberseite durchstehen zu lassen. Vorteilhaft weist es an seinen äußeren Endbereichen Laschen 92 auf, die den Stromschienenstapel (inkl. Isolations-Einlegeteil 8 und Isolationsrahmen 3, wenn vorhanden) umgreifen und bis zur Basisplatte 2 reichen, um daran (an Befestigungslöchern 22) befestigt zu werden und damit die zwischen Basisplatte 2 und flächigem Bauteil 9 befindlichen Komponenten zu fixieren, wie z.B. in 6-8 und 11 zu sehen. Somit dient es als Niederhalter. Wie in den Figuren zu sehen, weist die Basisplatte 2 zur Befestigung der Laschen 92 ein oder mehrere Befestigungslöcher 22 an ihren äußeren Enden auf.
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In einer Ausführung hat das flächige Bauteil 9 auch eine elektrisch isolierende Funktion und dient als EMV-Schild (EMV= Elektromagnetische Verträglichkeit). Hierfür sind die Öffnungen 90, durch welche die Tunnel 612 geführt werden, größer als nur für das Durchführen benötigt. Der Abstand zu den Tunneln 612, in welchen Strom- und/oder Signalpins 42 der Halbleiterpackages 4 geführt werden, und die so hoch sind, dass die Strom- und/oder Signalpins 42 erst oberhalb des flächigen Bauteils 9 herausstehen und kontaktiert werden können, hängt von der für die Anwendung benötigten Luftstrecke ab, welche vom Fachmann nach bekannten Vorschriften bestimmt wird. Die Öffnungen 90, durch welche Tunnel 612 geführt sind, sind also derart gebildet, dass eine vorgegebene Luftstrecke zwischen durchgeführten Pins 42, 51, 62 und dem flächigen Bauteil 9 eingehalten ist.
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Durch die Öffnungen 90 und die durchgeführten Komponenten der darunter liegenden Schichten dient das flächige Bauteil 9 als Schranke (EMV-Schild) zwischen Hochvoltbereich (Unterseite) und Signalbereich (Oberseite). Gleichzeitig dient es als Fixierung (Niederhalter).
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Da das flächige Bauteil 9 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist und mit der Basisplatte 2 verbunden ist, kann es auch als Massepotential (GND) für damit verbundene Bauteile dienen. Dies kann z.B. für die Massekontaktierung von Bauteilen der Signalsammelplatine 10 genutzt werden, z.B. von CY-Kondensatoren. Hierfür ist vorgesehen, dass ein Teilbereich des flächigen Bauteils 9 auf einem der Dome 61 aufliegt (6 und 7), an dem die Signalsammelplatine 10 später befestigt wird, wie in 9-11 und 13 gezeigt und nachfolgend beschrieben. Durch die Befestigung der Signalsammelplatine 10 an dem Teilbereich des flächigen Bauteils 9, das mit der Basisplatte 2 verbunden ist und dadurch Massepotential GND bereitstellt, wird das Massepotential GND auch Bauteilen der Signalsammelplatine 10 bereitgestellt.
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In einer Ausführung ist auf der Oberseite des beschriebenen Einzelphasenmoduls 1, also der Oberseite Stromschienenstapels, eine Signalsammelplatine 10 vorgesehen. Im Falle, dass ein flächiges Bauteil 9 vorhanden ist, ist die Signalsammelplatine 10 auch oberhalb dieses Bauteils vorgesehen, wie in 9 bis 11 und 42 gezeigt. Die Signalsammelplatine 10 wird also ganz oben am Einzelphasenmodul 1 angeordnet. Sie dient als Kontaktierungs- und Sammelstelle für die auf die Oberseite der Stromschienen 5 bis 7 (auch durch das Isolations-Einlegeteil 8 durchstehende) und nach oberhalb des flächigen Bauteils 9 durchgehenden Pins, also der Strom- / Signalpins 42 der Halbleiterpackages 4, der HV-Plus Stromanschlusspins 52, und der HV-Minus Stromanschlusspins 62. Die Signalsammelplatine 10 ist eine Leiterplatte, in bzw. auf der Signalleitungen geführt und Bauteile angeordnet sind. In 9 sind die Bereiche mit Bezugszeichen 101 bezeichnet, die als Pin-Öffnungen für die als Strom- und/oder Signalpins 42 der Halbleiterpackages 4 bezeichneten Pins der Highside/Lowside und Gate/Kelvin Source der Halbleiterpackages 4 dienen. Die mit „GND“ gekennzeichneten Verschraubungen (an Befestigung 93) zwischen Signalsammelplatine 10 und flächigem Bauteil 9 dienen als Massepotential GND für die auf der Signalsammelplatine 10 angeordneten, später beschriebenen Bauteile, da hier über die Verbindung (Laschen 92) zwischen flächigem Bauteil 9 und Basisplatte 2 eine Massekontaktierung zur Basisplatte 2 hergestellt ist. Diese „GND“ bereitstellenden Verschraubungen sind immer auf der Seite des Einzelphasenmoduls 1, auf der die Abgriffe 53, 66 der DC-Stromschienen 5, 6 nach außerhalb ragen.
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Durch die Signalsammelplatine 10 kann eine symmetrische Stromverteilung der Halbleiterpackages 4 mittels Entkopplung der einzelnen Gates der Halbleiterpackages 4 über ein Widerstands-Kondensator-Netzwerk (RC-Glied) auf der Signalsammelplatine 10 vorgesehen werden, um den Strom gleichmäßig auf die einzelnen Halbleiterpackages 4 zu verteilen.
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Auf der Signalsammelplatine 10 können aufgrund der bis dort hin geführten GND-Verbindung ein oder mehrere Sicherheitskondensatoren 103, 104, sogenannte CY-Kondensatoren, angeordnet werden. Diese dienen dazu, die Spannung zu glätten und werden jeweils zwischen einem Stromanschluss, also zwischen DC-Minus (Stromanschlusspin 62) und Massepotential GND (CY-Kondensator 104) bzw. DC-Plus (Stromanschlusspin 51) und Massepotential GND (CY-Kondensator 103) kontaktiert, wie in 10 angedeutet und in 11 beispielhaft gezeigt. Hierfür weist die Signalsammelplatine 10 auch eine Öffnung 107 für den GND-Anschluss (z.B. Schrauben 11, wie in 42 angedeutet) und jeweils eine Öffnung 102 für den bzw. die HV-Stromanschlusspins 51 und/oder 62 auf. Durch die Möglichkeit, die CY-Kondensatoren sehr nahe an den Halbleiterpackages 4 und in einem Einphasenmodul 1 anzuordnen, werden EMV-Vorteile im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik erzielt, indem Störungen wie Spannungsrippel bereits am Entstehungsort verringert oder eliminiert werden.
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Auf der Signalsammelplatine 10 kann außerdem eines der DC-Plus-Pins, genauer eines der HV-Plus Stromanschlusspins 51, als Desat-Pin 105 verwendet werden, um eine Desaturierung von in den Halbleiterpackages 4 verwendeten Leistungshalbleiter zu erkennen. Das Signal wird dabei direkt zur ECU durchgeschleift und verarbeitet. Durch die Möglichkeit, das Signal direkt bzw. sehr nahe am Ort des Geschehens abgreifen zu können, kann eine genauere Erkennung einer Desaturierung erfolgen. Hierfür wird ein eigener Desat-Pin 105 als Kontaktpin bereitgestellt, d.h. ein separater HV-Plus Stromanschlusspin 51 wird zur Verfügung gestellt, um ein möglichst sauberes Signal zu erhalten. Über diesen Desat-Pin 105 erfolgt dann keine DC-Plus-Stromversorgung für die (redundante) Spannungsversorgung.
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Aufgrund der Möglichkeit, die Halbleiterpackages 4 über die Signalsammelplatine 10 mit voller Leistung anzuschließen, kann auch ein EOL-Test (EOL=end of line, also nach Montage) durchgeführt werden. Hierfür können auf der Signalsammelplatine 10 Testpunkte 108 vorgesehen werden, wie in 12 angedeutet.
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Aktuell sind Temperatursensoren 106 nicht in der Nähe der Halbleiterpackages 4 angeordnet. Durch die Signalsammelplatine 10 können auch (optional) ein oder mehrere Temperatursensoren 106 mit der Signalsammelplatine 10 verbunden sein und direkt auf die Halbleiterpackages 4, genauer unabhängig jeweils auf Highside 40 und Lowside 41, schauen, also deren Temperatur überwachen. Die Signale können dann über die Signalsammelplatine 10 ausgelesen werden, woraufhin dann z.B. die Steuerung der Halbleiterpackages 4 angepasst werden kann. Somit ist eine Verbesserung der Temperaturüberwachung der Halbleiterpackages 4 hinsichtlich Genauigkeit und Geschwindigkeit möglich.
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Da auf der Signalsammelplatine 10 alle Signale der Halbleiterpackages 4 gesammelt werden, kann hierüber auch eine Steuerung der einzelnen Halbleiterpackages 4 erfolgen. Es könnten also auch einzelne Halbleiterpackages 4 abgeschaltet oder bei Bedarf zugeschaltet werden.
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Die Signalsammelplatine 10 dient dazu, alle Signale der Komponenten des Einzelphasenmoduls 1 zu sammeln, also zusammenzuführen. Von dort kann dann eine Steuerung des Einzelphasenmoduls 1 erfolgen, z.B. über eine extern angeschlossene ECU (elektronische Steuereinheit), welche auch mehrere Einzelphasenmodule 1 steuern kann.
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Auf der Signalsammelplatine 10 werden die von den Halbleiterpackages 4 kommenden Signale parallelgeschaltet, entkoppelt (balanciert) und zu einem einzigen Signal zusammengefasst, das dann an die ECU übergeben wird. Somit erfolgt kein Routing mehr auf der ECU (dem Treiber). Somit kann auf der ECU Platz gespart werden, aber dennoch je Einzelphasenmodul 1 eine Vielzahl an Bauteilen insbesondere zur Überwachung vorgesehen werden, deren Signale an die ECU übergeben werden können.
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Die Größe der Sammelplatine 10 ist vorteilhaft so gewählt, dass sie an den Domen 61 befestigt werden kann und alle benötigten Signale dorthin geführt werden können.
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In einer Ausführung weist die DC-Plus-Stromschiene 5 eine Ummantelung 50 an Bereichen auf, an denen sie nicht elektrisch kontaktiert wird, wie in 19 bis 22 dargestellt. Dabei weist insbesondere der DC-Plus-Abgriff 53 auf der Unterseite der DC-Plus-Stromschiene 5 keine Ummantelung 50 auf. Allerdings ist eine Ummantelung 50 auf ihrer Oberseite vorhanden. Dies ist insbesondere in der Ausführung wichtig, in welcher die DC-Minus-Stromschiene 6 oberhalb der DC-Plus-Stromschiene 5 angeordnet ist, und auch über den DC-Plus-Abgriff 53 reicht, da zwischen DC-Minus-Stromführung und DC-Plus-Stromführung eine elektrische Isolierung vorhanden sein muss. Die Ummantelung 50 ist vorteilhaft mit Ausnahme von elektrischen Kontaktierungsbereichen vollständig um die DC-Plus-Stromschiene 5 gebildet, wobei die Ummantelung 50 insbesondere auf der Unterseite der DC-Plus-Stromschiene 5 bis zum äußeren Rand der Basisplatte 2 reicht oder darüber hinaussteht.
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Die Ummantelung 50 kann auch vorgesehen sein, um eine Positionierungshilfe bereitzustellen, sowohl für die DC-Plus-Stromschiene 5 als auch für ein darüber anzuordnendes Bauteil wie die DC-Minus-Stromschiene 6. Die Ummantelung 50 ist also vorteilhaft im Bereich zwischen den elektrischen Kontakten (DC-Plus-Abgriff 53 und HV-Plus Stromanschlusspin 51) auf beiden Seiten der DC-Plus-Stromschiene 5 vorgesehen und dient sowohl als elektrische Isolierung als auch als Positionierungshilfe.
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Auf der Unterseite der DC-Plus-Stromschiene 5 ist, wie in 20 und 21 gezeigt, eine Einsteckstruktur 52 in der Ummantelung 50 auf der Unterseite der DC-Plus-Stromschiene 5 vorgesehen, welche hier als Erhebung/Stift 521 gebildet ist und mit einer z.B. in 23 gezeigten, zugehörigen Gegenstruktur in Form einer Aussparung 31 im Isolationsrahmen 3 in Eingriff bringbar ist. Auf der Oberseite der DC-Plus-Stromschiene 5 ist, wie in 19, 21 und 22 gezeigt, an einem Bereich, an dem die oberhalb anzuordnende DC-Minus-Stromschiene 6 daran bei Montage angeordnet wird, eine Einsteckstruktur 52 in der Ummantelung 50 vorgesehen (daraus gebildet), welche hier als Aussparung 522 gebildet ist und mit einer z.B. in 16 gezeigten, zugehörigen Erhebung 651 in der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 in Eingriff bringbar.
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Die Ummantelung 50 ist ebenso wie in der bezüglich der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 beschriebenen Ausführung auch hier aus einem elektrisch isolierenden Material und vorzugsweise als Mold-Material gebildet, also zum Umspritzen oder Ummolden (Flussprozess) geeignet.
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Durch die Ummantelungen 50 und 60 der DC-Stromschienen 5 und 6 wird eine elektrische Isolierung in einfacher und effektiver Art und Weise bereitgestellt. Außerdem können die Ummantelungen 50 und 60 gleichzeitig als Positionierhilfe für andere Komponenten des Einzelphasenmoduls 1 verwendet werden.
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In allen Ausführungen kann ein Isolationsrahmen 3 aus elektrisch isolierendem Material auf der Basisplatte 2 vorgesehen sein, wie in 24 bis 27 gezeigt. Dieser dient als Positionier- und Schweißhilfe für einen Großteil der Komponenten des Einzelphasenmoduls 1. Er ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet und dient als Befestigungs- und Positionierungshilfe. Der Isolationsrahmen 3 ist so gebildet, dass er direkt auf der Basisplatte 2 angeordnet (aufgelegt) wird und diese mindestens an Bereichen, an denen nachfolgend darauf anzuordnende Bauteile befestigt werden, abdeckt. Lediglich an den Bereichen, an denen die Halbleiterpackages 4 auf der Basisplatte 2 befestigt werden, ist er nicht vorhanden, weist also entsprechende Aussparungen auf, wie in 24 und 25 gezeigt. Dort ist auch zu sehen, dass der Isolationsrahmen 3 diverse Erhebungen und Vertiefungen bzw. Aussparungen/Öffnungen aufweist. Diese dienen als Positionierungsstrukturen 30-33.
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Beispielsweise dient die Erhebung 30 als Auflage für die Pins der Halbleiterpackages 4, damit diese beim Befestigen (Schweißen) nicht brechen oder sich verbiegen, wie in 27 gut zu sehen. Die beiden Positionierungsstrukturen 31 dienen beispielsweise als Gegenstruktur zu der Einsteckstruktur 52 der DC-Plus-Stromschiene 5, wie bereits beschrieben und auch in 23 gezeigt.
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Die Positionierungsstrukturen 20 (Stift aus Basisplatte 2) und 32 (Öffnung 32 in Isolationsrahmen 3) dienen zur Positionierung des Isolationsrahmens 3 auf der Basisplatte 2, wie z.B. in 24 und 26 gezeigt. Vorteilhaft sind zwei solche Positionierungsstrukturen 20 und 32 vorgesehen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Basisplatte 2 angeordnet sind, wobei es keine Beschränkung der Anzahl der Positionierungsstrukturen 20 und 32 gibt.
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Die Positionierungsstrukturen 33 dienen wiederum beispielsweise einigen Positionierungsstrukturen 63 auf der Unterseite der DC-Minus-Stromschiene 6 als Positionierungsstruktur, wie in 16, 24, 26 gezeigt. Die Positionierungsstrukturen 33 können als Rippen gebildet sein, an denen eine entsprechende Gegenstruktur der DC-Minus-Stromschiene 6 anschlägt, oder als Stifte, die in Aussparungen eingreifen.
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Außerdem kann der Isolationsrahmen 3 eine Positionierungsstruktur 34 für den Kantenbereich 81 des Isolations-Einlegeteils 8 aufweisen, wie z.B. in 7, 33 und 34 gezeigt. Dieser kann z.B. treppenartig so gebildet sein, dass der Kantenbereich 81 dort beim Aufbringen des Isolations-Einlegeteils 8 auf dem Treppenabsatz (Auflage) aufliegt und an der Treppe anschlägt (Anschlag).
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Es muss nicht jede der beschriebenen Positionierungsstrukturen 30-34 vorhanden sein. Vielmehr ist stets nur dann eine Positionierungsstruktur 30-34 vorhanden, wenn es auch eine entsprechende Gegenstruktur gibt. Die Stromschienen 5, 6 sind zumindest an Bereichen, an denen sie mit der Positionierungsstruktur 30, 31, 33, 34 in Kontakt sind, von der beschriebenen elektrisch isolierenden Ummantelung 50, 60 bzw. dem Isolations-Einlegeteil 8 umgeben.
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Der Isolationsrahmen 3 ist vorteilhaft aus einem hochtemperaturbeständigen Material und gast während der Montage des Einzelphasenmoduls 1 nicht aus, insbesondere beim Sintern, also wenn die Halbleiterpackages 4 auf der Basisplatte 2 befestigt werden.
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In einer Ausführung wird ein Einphasenmodul 1 als Stecksystemaufbau bereitgestellt. In dieser Ausführung weist jede Komponente Positionierungsgeometrien auf, wie bereits in Verbindung mit den einzelnen Komponenten (Basisplatte 2, Isolationsrahmen 3, Stromschienen 5-7, Einlege-Isolationsteil 8, flächiges Bauteil 9) des Einzelphasenmoduls 1 beschrieben. Somit können die aufeinander zu stapelnden Komponenten exakt positioniert werden. Eine endgültige Befestigung (Fixierung) erfolgt dann erst über die (vor)letzte Komponente, das als Niederhalter dienende flächige Bauteil 9, das den gesamten Komponenten-Stapel umgreift und zusammenhält, wie in der Explosionsansicht in 43 dargestellt. Auf diese (vor)letzte Komponente kann dann noch die Signalsammelplatine 10 auf die vier an den äußersten Enden vorgesehenen, als Auflagen 611 dienenden Dome 61 aufgebracht und über den Niederhalter 9 mittels Befestigungsmitteln wie z.B. Schrauben 11 befestigt (auch mit Massepotential GND kontaktiert) werden.
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Während des Montageprozesses erfolgt also lediglich eine Grundfixierung über das Anschweißen der einzelnen Stromschienen 5-7, sobald sie aufgebracht sind. Alle anderen Komponenten sind lediglich über ihre Positionierungsgeometrien (Positionierungsstrukturen, Einsteckstrukturen etc.) miteinander verbunden und aneinander positioniert, wie bereits in Bezug auf die einzelnen Komponenten beschrieben. Es ist also bis auf beim Befestigen des als Niederhalter dienenden flächigen Bauteils 9 keine Verschraubung oder Verklebung etc. nötig.
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Im Wesentlichen können die für die einzelnen Komponenten bereits beschriebenen Positionierungsstrukturen, also Positionierungsstruktur 20 der Basisplatte 2 und die Positionierungsstrukturen 30-34 des Isolationsrahmens 3, sowie die Einsteckstrukturen 52, 65 der Ummantelungen 50, 60, die Dome 61, Tunnel 612, Öffnungen 611, 613-616, die Positionierungsstruktur 63, der Anschlagbereich 64 und der Kantenbereich 81, die Öffnungen 82 für die Dome 61 und die Tunnel 83 für die Pins 42, sowie die Öffnungen 90 und Ausnehmungen 91 des flächigen Bauteils 9 als Positionierungshilfe verwendet werden, sofern die einzelnen Strukturen so geometrisch und in ihrer Anordnung aufeinander abgestimmt werden, dass sie sich nicht gegenseitig behindern und jeweils als Struktur und Gegenstruktur dienen, wie bereits für die einzelnen Komponenten beschrieben.
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Strukturen von optionalen Komponenten wie dem Isolationsrahmen 3 können dabei durch Strukturen auf der darunter- bzw. darüberliegenden Komponente ersetzt werden.
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Im Detail weist die Basisplatte 2, wie in 35 gezeigt, mehrere Öffnungen auf, die als Befestigungslöcher 22 für die die Laschen 92 des flächige Bauteils 9 dienen und an denen er befestigt werden kann. Ebenso weist die Basisplatte 2 mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehr Positionierungsstrukturen 20 auf, welche vorzugsweise die Form von Stiften haben. Diese dienen dazu, die korrespondierende Positionierungsstruktur 32 des (optionalen) Isolationsrahmens 3 aufzunehmen, welche vorzugsweise als Öffnung gebildet ist, welche über den zugehörigen Stift in der Basisplatte 2 aufgebracht wird, wie in 36 und 43 gezeigt. Damit sind diese beiden Komponenten zueinander positioniert.
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Sobald der Isolationsrahmen 3 auf die Basisplatte 2 aufgebracht ist, werden die Halbleiterpackages 4 in die dafür vorgesehenen Ausnehmungen im Isolationsrahmen 3 eingelegt und mit der Basisplatte 2 direkt verbunden, vorzugsweise darauf gesintert, wie ebenfalls in 36 und 43 gezeigt. Der Isolationsrahmen 3 weist hierfür Positionierungsstrukturen 30 in Form von Auflagen/Erhebungen für die Pins der Halbleiterpackages 4 auf, um als Unterstützung für die Stromanschlüsse beim Zusammenschweißen zu dienen, so dass diese durch den Verbindungsprozess nicht verbogen werden, wie in 27 im Detail zu sehen.
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Wie ebenfalls in 27 gezeigt, weist der Isolationsrahmen 3 an der Seite, an welcher die DC-Stromschienen 5 und 6 angeordnet sind (in 27 links), eine Positionierungsstruktur 33 auf, welche mit der in 16, linke Seite, gezeigten Positionierungsstruktur 63 der DC-Minus-Stromschiene 6 in Eingriff stehen (aneinander anstoßen), wenn die DC-Minus-Stromschiene 6 auf den Isolationsrahmen 3 und die DC-Plus-Stromschiene 5 aufgebracht wird. Außerdem weist der Isolationsrahmen 3 an der Seite, an welcher die AC-Stromschiene 7 angeordnet ist (in 27 rechts), eine weitere Positionierungsstruktur 34 auf, an welcher der in 33 und 34 gezeigte Kantenbereich 81 des Isolations-Einlegeteils 8 anstößt bzw. darauf steht.
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Außerdem weist der Isolationsrahmen 3 eine Positionierungsstruktur 31 für die Positionierung der auf der Unterseite der DC-Plus-Stromschiene 5 vorgesehenen Einsteckstruktur 52 auf, wie in 20 und 36 gezeigt. Dies ermöglicht eine einfache Positionierung der DC-Plus-Stromschiene inkl. HV-Plus Stromanschlusspin 51. Die Positionierungsstruktur 31 und die Einsteckstruktur 52 sind dabei z.B. als jeweils zwei voneinander beabstandete und zueinander komplementär gebildete Strukturen, z.B. Stift und Aussparung zur Aufnahme des Stifts, gebildet. Besonders vorteilhaft ist der Bereich der DC-Plus-Stromschiene 5, welcher die Positionierungsstrukturen 52 aufweist, mit einer Ummantelung 50 versehen. In 19, 21, 22 und 37 ist die Ummantelung 50 auch noch auf der Oberseite des DC-Plus-Abgriffs 53 vorgesehen, da in einem nächsten Schritt die DC-Minus-Stromschiene 6 vollflächig über den DC-Plus-Abgriff 53 geführt wird, wie in 6, 7 und 38 gezeigt.
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Auf der Oberseite der DC-Plus-Stromschiene 5 ist eine weitere Einsteckstruktur 52, 522 (vorzugsweise direkt gegenüber der Einsteckstruktur 52 auf der Unterseite) vorgesehen, welche als Positionierungshilfe für die DC-Minus-Stromschiene 6 dient, wie z.B. in 19 und 22 gezeigt. Wie in 38 gezeigt, wird die DC-Minus-Stromschiene 6 auf die DC-Plus-Stromschiene 5 aufgebracht. Hierfür weist die DC-Minus-Stromschiene 6 eine zu der Einsteckstruktur 52 komplementäre Einsteckstruktur 65 auf. Die Einsteckstrukturen 52 und 65 sind dabei z.B. als zwei voneinander beabstandete und zueinander komplementär gebildete Strukturen, z.B. Stift 652 und Aussparung 522 zur Aufnahme des Stifts, gebildet.
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Vorteilhaft ist zumindest der Bereich der DC-Minus-Stromschiene 6, welcher über der DC-Plus-Stromschiene 5 geführt ist, mit einer Ummantelung 60 versehen, wie bereits beschrieben. Besonders bevorzugt ist die DC-Minus-Stromschiene 6 vollflächig über die Halbleiterpackages 4 geführt und mit einer Ummantelung 60 versehen, so dass die AC-Stromschiene 7 darauf angeordnet werden kann, wie z.B. in 39 gezeigt.
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Die DC-Minus-Stromschiene 6 weist ferner an ihrer der DC-Plus-Stromschiene 5 zugewandten Unterseite weitere Positionierungsstrukturen 63 auf, wie z.B. in 16 gezeigt. Diese sind vorzugsweise an äußeren End- oder Eckbereichen (außerhalb des Bereichs, an dem die DC-Plus-Stromschiene 5 angeordnet wird) vorgesehen und dienen als Positionierungshilfe der DC-Minus-Stromschiene 6 auf der Basisplatte 2 über den Isolationsrahmen 3, wie bereits beschrieben und z.B. in 18 zu sehen.
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Die Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 weist ferner, wie bereits beschrieben, auf ihrer Oberseite als Tunnel 612 und Auflagen 611 dienende Dome 61 auf, welche ebenfalls als Positionierungshilfe dienen. Ferner weist die Oberseite der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 auch Anschlagbereiche 64 für die AC-Stromschiene 7 auf, wie in Bezug zu 17 beschrieben. Ebenfalls weist sie eine oder mehrere Öffnungen 614 auf, in die der AC-Stromanschluss 70 eingebracht und mit dem AC-Stromanschluss der Halbleiterpackages 4 verbunden werden kann. Auch diese Öffnungen 614 dienen somit als Positionierungshilfe.
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Über die AC-Stromschiene 7 wird dann das Isolations-Einlegeteil 8 aufgebracht, wie z.B. in 40 zu sehen und in Zusammenhang mit 30 bis 34 beschrieben. Wie z.B. in 43 zu sehen, weist das Isolations-Einlegeteil 8 Öffnungen 82 auf, um über die Dome 61 der Ummantelung 60 der DC-Minus-Stromschiene 6 auf die AC-Stromschiene 7 aufgebracht zu werden. Außerdem weist es als Tunnel 83 gebildete Dome auf, um Strom- und/oder Signalpins 42 der Halbleiterpackages 4 elektrisch isoliert auf seine Oberseite zu führen.
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Alle die vorhergehend beschriebenen, aufeinander gestapelten Komponenten 2-8 werden weder verschraubt noch verklebt etc., um sie zu befestigen. Sie sind alleine aufgrund ihrer Geometrie aneinander positioniert und ausgerichtet. Die einzige Verbindung ist die elektrische Verbindung, welche durch Anschweißen (oder ein sonstiges Verbinden) der (elektrisch zu kontaktierenden und nicht ummantelten Bereiche der) Stromschienen 5-7 mit den zugehörigen Anschlüssen der Halbleiterpackages 4 erfolgt. Um den vorher beschriebenen Stapel an Komponenten 2-8 nunmehr zu fixieren, wird das bereits in Bezug zu 5, 14, 15 und 18 beschriebene, flächige Bauteil 9 auf den Stapel 2-8 aufgebracht und über seine Laschen 92 mit entsprechenden Befestigungslöchern 22 der Basisplatte 2 verbunden, z.B. verschraubt. Somit dient das flächige Bauteil 9 als Niederhalter und Fixierung für alle Komponenten des Stapels, wie z.B. in 41 und 43 dargestellt. Als letzte Komponente kann nun die Signalsammelplatine 10 auf den Niederhalten 9 aufgebracht werden, indem diese an den Domen 61 (jeweils an den Eckbereichen) damit verbunden, z.B. verschraubt, wird.
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Durch die vorgeschlagenen, als Montagehilfe dienenden Positionierungsgeometrien wird ein modulares Stecksystem bereitgestellt, bei dem alle Komponenten optimal und exakt positioniert werden können, ohne dabei separate mechanische Verbindungselemente oder Verbindungsverfahren zu benötigen.
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Das vorgeschlagene Einzelphasenmodul 1 ist Teil eines Inverters, also eines DC/AC-Wechselrichters, der bevorzugt drei Phasen P1-P3 aufweist, die aus jeweils einem Einzelphasenmodul 1 gebildet sind. Der Inverter wird vorteilhaft in einer Leistungselektronik zum Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors eines Fahrzeugs verwendet und ist mit einer als Treiber dienenden elektronischen Steuereinheit, kurz ECU, signaltechnisch verbunden. Die ECU dient dazu, den Inverter und den Elektromotor anzusteuern und zu regeln.
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Das Einzelphasenmodul 1 kann außerdem eine nicht gezeigte Kühlvorrichtung in Form von z.B. Lamellen oder Finnen aufweisen oder mit einer separaten Kühlvorrichtung an der Unterseite der Basisplatte 2 (gegenüberliegende Seite der Seite mit den Halbbrücken) verbunden sein.
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Die Leistungselektronik wird vorzugsweise in einem Elektroantrieb eines Fahrzeugs verwendet, der einen dreiphasigen Elektromotor und einen Akkumulator aufweist, wobei die Leistungselektronik mit beiden verbunden ist, um vom Akkumulator eingehenden Gleichstrom in für den Elektromotor verwendbaren Wechselstrom mittels des Inverters zu erzeugen, um den Elektromotor damit anzutreiben. Der Elektromotor ist dabei insbesondere ein elektrischer Achsantrieb. Vorteilhaft weist ein Fahrzeug, z.B. ein PKW oder ein NKW, mindestens einen solchen Antrieb auf.
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Bezugszeichenliste
-
- 1
- Einzelphasenmodul
- 2
- Basisplatte
- 20
- Positionierungsstruktur
- 22
- Befestigungslöcher für Laschen 92
- 3
- Isolationsrahmen
- 30
- Positionierungsstruktur als Auflagen/Erhebungen für Pins
- 31
- Positionierungsstruktur für DC-Plus, Aussparung
- 32
- Positionierungsstruktur für Basisplatte, Öffnung
- 33
- Positionierungsstruktur für Dome 61
- 34
- Positionierungsstruktur (Anschlag und Auflage) für Kantenbereich 81
- 4
- Halbleiterpackages
- 40
- Highside-Leistungshalbleiter
- 41
- Lowside-Leistungshalbleiter
- 42
- Strom- / Signalpins der 4 (G/S/D/Kelvin-Source)
- 5, 6, 7
- Stromschienen (DC+; DC-, AC)
- 50
- Ummantelung DC-Plus-Stromschiene
- 51
- HV-Plus Stromanschlusspin
- 52
- Einsteckstruktur in Ummantelung
- 521
- Erhebung/Stift
- 522
- Aussparung
- 53
- DC-Plus-Abgriff
- 60
- Ummantelung DC-Minus-Stromschiene
- 61
- Dome
- 612
- Tunnel für Pins
- 611
- Auflagen und Befestigungselement für GND/Befestigung
- 613
- Öffnung für Temperatursensor
- 614
- Öffnung für AC-Stromanschluss
- 615
- Öffnung für Strom- und/oder Signalpins 42
- 616
- Öffnung für HV-Plus Stromanschlusspins 51
- 62
- HV-Minus Stromanschlusspin
- 63
- Positionierungsstruktur
- 64
- Anschlagbereich für AC-Stromschiene
- 65
- Einsteckstruktur in Ummantelung
- 651
- Erhebung/Stift
- 66
- DC-Minus-Abgriff
- 67
- Öffnungen in 6 für 42, 70, 51, 106
- 70
- AC-Stromanschluss
- 71
- AC-Abgriff
- 72
- Öffnung für 106
- 8
- Isolations-Einlegeteil auf AC und zwischen AC und Niederhalter
- 81
- Kantenbereich, in Eingriff mit Positionierungsgeometrie von 3
- 82
- Öffnungen für Dome 61
- 83
- Tunnel für Pins
- 84
- Öffnungen für 106
- 9
- flächiges Bauteil als Niederhalter und EMV Schild
- 90
- Öffnungen
- 91
- Ausnehmungen
- 92
- Laschen, Befestigung an Basisplatte
- 93
- Befestigung an Dom von 62
- 10
- Signalsammelplatine
- 101
- Pin-Öffnungen für High/Lowside Gate / Kelvin Source
- 102
- Öffnung für HV-Stromanschlusspin 51 oder 62
- 103
- CY-Kondensator HV-Plus
- 104
- CY-Kondensator HV-Minus
- 105
- Desat-Pin
- 106
- Temperatursensor
- 107
- Öffnung für GND
- 108
- Testpunkte
- 11
- Befestigungsmittel (Schrauben)
- ECU
- ECU
- GND
- Massepotential bzw. Masse-Kontaktierung
- P1, P2, P3
- Phasen
